【導(dǎo)讀】在工業(yè)處理的各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)中，管道結(jié)垢普遍。存在，它影響生產(chǎn)，浪費(fèi)能源，己成為造成管道報(bào)廢的主要原因。方法成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染比較嚴(yán)重。近年來為了提高除垢的效率人們正。在不斷探索新的除垢方法，超聲波除垢正是在這種背景下發(fā)展起來的。應(yīng)等物理特性，通過改變水的物理結(jié)構(gòu)，達(dá)到防垢、除垢的效果。能、免拆卸、無(wú)污染、使用簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。目前的超聲波除垢己經(jīng)得到了廣。活領(lǐng)域拓展，超聲波除垢已經(jīng)成為超聲的一項(xiàng)重要技術(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)的除垢方法不能在線除垢的問題，提出。本設(shè)計(jì)是以STC12C2052AD單片機(jī)。電路部分及軟件部分進(jìn)行了解釋和分析。

　　

【正文】 濾波， IGBT 正常工作；斷電時(shí)繼電器的常閉觸點(diǎn)會(huì)閉合，電容會(huì)通過電阻進(jìn)行放電，也就不會(huì)沖擊 IGBT，造成它的損壞。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 IGBT 及其保護(hù)電路 在這里電路選擇使用了絕緣柵型雙極晶體管 (IGBT),IGBT是八十年代初出現(xiàn)的一種新型半導(dǎo)體功率器件，其電壓控制輸入特性伴隨低阻通態(tài)輸出特性，可以在眾多領(lǐng)域替代 GTR和功率 MOSFET等器件 [22]。另外 IGBT還具有 MOSFET的高輸入阻抗，電壓驅(qū)動(dòng)，無(wú)二次擊穿，安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，成為功率器件中強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。目前 IGBT在國(guó)際上從軍用如導(dǎo)彈、航天、衛(wèi)星等到民用如汽車、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、焊機(jī)、 UPS電源和通訊電源、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用己經(jīng)較為廣泛，它的制造和應(yīng)用技術(shù)也較為成熟。目前國(guó)際上一些半導(dǎo)體公司相繼開發(fā)了第四代、第五代的 IGBT，其特征主要表現(xiàn)在 低的通態(tài)電壓、短的關(guān)斷時(shí)間、低損耗、高頻率、無(wú)閉鎖等。 1. IGBT的基本結(jié)構(gòu) IGBT是從功率 MOSFET發(fā)展而來的，是 MOS管與雙極型晶體管的復(fù)合器件。 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖示于圖 34,IGBT是在功率 MOSFET的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)P+層發(fā)射極，形成 PN結(jié) J1，并由此引出集電極。門極和射極則完全與 MOSFET的柵極和源極相似。為提高 IGBT的性能，通常在 N基區(qū)增加一個(gè) N+緩沖層，有N+緩沖層的 IGBT稱為穿通型結(jié)構(gòu) (PT)，其反向阻斷能力弱，但正向壓降低，關(guān)斷時(shí)間短，關(guān)斷尾部電流小。無(wú) N+緩沖層的 IGBT稱為非穿通型結(jié)構(gòu) (NPT)，它具有對(duì)稱的正反向阻斷能力，但其它特性如正向通態(tài)壓降，關(guān)斷時(shí)間，防閉鎖能力等，都不及穿通型 IGBT[21]。 圖 34 IGBT等效電路圖 由圖 34可以看出， IGBT相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) GTR，其簡(jiǎn)化等效電路如圖 34。圖中電阻 Rd是厚基區(qū) BJT基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。 IGBT是以BJT為主導(dǎo)元件、 MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓器件。圖示器件為 N溝道IGBT,MOSFET為 N溝道型， BJT為 PNP型 [30]。 2. IGBT的工作原理 IGBT的開通與關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。柵極施以正電壓時(shí)， MOSFET內(nèi)形成溝道，并為 PNP晶體管提供基極電流，從而使 IGBT導(dǎo)通。此時(shí)從 P+區(qū)注 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 入到 N區(qū)的空穴對(duì) N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少 N區(qū)的電阻 Rd，使高耐壓的 IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上施以負(fù)電壓時(shí)， MOSFET內(nèi)的溝遭消失， PNP晶體管的基極電流被切斷， IGBT即被切斷 [23]。 3. IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電壓幅值 IGBT為電壓控制器件 ,從其電氣特性圖 35(b)可知 ,當(dāng) UGEUGE(th)(UGE(th),為閉值電壓 )時(shí)， IGBT即可開通，一般情況下 UGE(m)=56V。由圖 35(a)可知，當(dāng)UGE增加時(shí)，通態(tài)電壓 UCE減小，通態(tài)損耗減小， IGBT承受短路電流能力減小；當(dāng) UGE太大時(shí)，可能會(huì)引起柵極電壓振蕩，損壞柵極。所以，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)折中考慮柵極電壓的選取，為獲得通態(tài)壓降小，同時(shí) IGBT又具有較好的承受短路電流的能力， UGE應(yīng)折中取 1215V為宜。在需要 IGBT關(guān)斷期間，為提高 IGBT的抗干擾能力及承受 di/dt上升率能力 (其中 i為電流， t為時(shí)間 )，保證其可靠地關(guān)斷，最好給柵射極間加 5l0V的負(fù)偏壓，過大的反向偏壓會(huì)造成 IGBT柵射極反向擊穿。 圖 35 IGBT電氣特性圖 4. IGBT的保護(hù)電路 IGBT 的柵極－發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓 VGE 的保證值為177。 20V,如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓 ,則可能會(huì)損壞 IGBT， 因此，在 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵壓限幅電路。另外 ,若 IGBT 的柵極與發(fā)射極間開路 ,而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓 ,則隨著集電極電位的變化 ,由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在 ,使得柵極電位升高 ,集電極－發(fā)射極有電流流過。這時(shí)若集電極和發(fā)射極間處 于高壓狀態(tài)時(shí) ,可能會(huì)使 IGBT 發(fā)熱甚至損壞。如果設(shè)備在運(yùn)輸或振動(dòng)過程中使得柵極回路斷開 ,在不被察覺的情況下給主電路加上電壓，則 IGBT 就可能會(huì)損壞。為防止此類情況發(fā)生，應(yīng)在 IGBT 的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十千歐的電阻 ,此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射極 [24]。如下 圖36。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itl eN u m be r R ev i s io nS iz eBD at e: 1 8 J u n 2 0 09 S he e t o f F ile : C :\D o cu m en ts a n d S e tt in gs \A d m in is tra to r\桌面 \B ac k up of S he e t1 .D D BD ra w n B y:CEG 圖 36 柵極保護(hù)電路 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) IGBT 驅(qū)動(dòng)是整個(gè)系統(tǒng)比較關(guān)鍵的地方，驅(qū)動(dòng)電路的性能，直接影響系統(tǒng)的復(fù)雜程序與易用性。目前常用兩種 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，一種是 EXB841，一種是M57962L。由于本系統(tǒng)使用的是三菱 公司 IGBT，而 M57962L 是三菱公司針對(duì)其 IGBT 產(chǎn)品推出的驅(qū)動(dòng)電路，其兼容性方面要比 EXB841 來驅(qū)動(dòng)要好。另外經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)， M57962L 的可靠性相對(duì)比較好。 絕 緣柵雙極晶體管 IGBT是第三代電力電子器件，安全工作，它集功率晶體管 GTR和功率場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有易于驅(qū)動(dòng)、峰值電流容量大、自關(guān)斷、開關(guān)頻率高 (1040KHZ)的特點(diǎn)，是目前發(fā)展最為迅速的新一代電力電子器件。廣泛應(yīng)用于小體積、高效率的變頻電源、電機(jī)調(diào)速、 UPS及逆變焊機(jī)當(dāng)中。 為了保證 IGBT能可靠快速 關(guān)斷，提高驅(qū)動(dòng)功率是必要的，這樣也可提高系統(tǒng)的快速性、安全性。圖 37是自行設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單的功率放大電路，可以起到良好的放大效果，能滿足系統(tǒng)的要求。該電路的主要工作原理是當(dāng)高速光耦 U1導(dǎo)通時(shí)，三極管 Q1關(guān)斷，而三極管 Q2導(dǎo)通，所以致使 Q5和 Q6關(guān)斷，同時(shí)引發(fā)Q3和 Q4導(dǎo)通，使得 IGBT導(dǎo)通；反之，當(dāng)光耦關(guān)斷時(shí)，三極管 Q1導(dǎo)通，而 Q2關(guān)斷，使得 Q Q4關(guān)斷，同時(shí) Q5和 Q6導(dǎo)通，則使 IGBT關(guān)斷。 12456U1R1R2R 1 0R7R6R5R3 R4R8R9R 1 2R 1 1R 1 4R 1 3R 1 5C1C4C2C3Q3 Q4Q1Q2Q5 Q6D3D2D1D4GEBECI G B TCG NDG NDV C C 圖 37 驅(qū)動(dòng)電路 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原則 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對(duì)電力電子設(shè)備的效率、可靠性、壽命 都有重要的影響，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也要遵從一定的設(shè)計(jì)規(guī)則才可以滿足各項(xiàng)要求。驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如下圖 38所示： IGBT驅(qū)動(dòng)電路有以下要求： 1. 由于是容性輸出輸出阻抗；因此 IGBT對(duì)門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。 2. 用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門極電容充放電，以保證門及控制電壓 UGS有足夠陡峭的前、后沿，使 IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外， IGBT開通后，門極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率，使 IGBT不至退出飽和而損壞。 3. 門極電路中的正 偏壓應(yīng)為 +12～ +15V；負(fù)偏壓應(yīng)為 2V～ 10V。 4. IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻 RG對(duì)工作性能有較大的影響， RG較大，有利于抑制 IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加 IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗；RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使 IGBT誤導(dǎo)通或損壞。 RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及 IGBT的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的 IGBT其 RG值較大。 5. 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì) IGBT的自保護(hù)功能。 IGBT的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未 采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下 ,IGBT的 G～ E極之間不能為開路 [24]。 頻 率 信 號(hào) 光 電 耦 合 器 通 斷 電 路I G B T電 壓 電 路輸 出 圖 38 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)框圖 光電耦合器 這里的驅(qū)動(dòng)電壓采用光電耦合器提供 200ms甚至更高快的開關(guān)時(shí)間，最大低電平輸出電壓為 。絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的柵極必須以穩(wěn)定的開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓推動(dòng)，并需要相對(duì)較高的電流水平，以便在導(dǎo)通和斷開之間快速切換，這個(gè)高電流主要用來進(jìn)行柵源級(jí)以及柵漏極之間電容的快速的充放電。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 9 J u n 2 0 09 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \ y i n .d db D ra w n B y:12456H 1 1L 1 圖 39 光電耦合器 控制電路 R S TR X D / P 3 . 0TX D / P 3 . 1X TA L2X TA L1I N T 0 / P 3 . 2I N T 1 / P 3 . 3EC I / T0 / P 3 . 4P W M 1 / T1 / P 3 . 5GND P 3 . 7 / P W M 0P 1 . 0 / A D C 0P 1 . 1 / A D C 1P 1 . 2 / A D C 2P 1 . 3 / A D C 3P 1 . 4 / S S / A D C 4P 1 . 5 / M O S I / A D C 5P 1 . 6 / M I S O / A D C 6P 1 . 7 / S C LK / A D C 7V C CS T C 1 2 C 2 0 5 2 A DY1C1C2GND+C3R2V C CGNDR1S1V C CGNDR X DTX DS C LKM I S OM O S ISSA D C I N 0O U T1O U T2S W 1S W 2FVDDVDD+ 1 5 V+ 1 5 VS G N DC5S G N DR5R3R4VDDS G N DC6C4C7 C8A D J 3ADJR6+V2V1S Y N C3V S S12VC13VD15CT5RT6D I S C7C S S8C O M P9SD10V r e f16O S C4O U TA11O U TB14S G 3 5 2 5R8S G N DS G N DVDDC 1 0C9FR 1 0O U TBR 1 2D L 2R 1 1S G N DR7R9D L 1S G N DS G N DV C CS G N DVDD S G N DA D J 1A D J 2 圖 310 控制電路 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 控 制電路主要 由 STC12C2052AD 和 SG3525 組成 。 STC12C2052AD 是完全兼容 8051 的一種芯片，并且自帶八通道八位 A/D 轉(zhuǎn)換，同時(shí)具有高抗干擾性的特點(diǎn)；同時(shí)該芯片具有在線系統(tǒng)可編程 ISP 特點(diǎn)，它的好處就是省去了編程器，可以在線下載 /燒錄程序，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間并且更經(jīng)濟(jì)?？刂齐娐方Y(jié)構(gòu)圖如下圖 311 所示。 驅(qū) 動(dòng) 電 路采 樣 電 路單 片 機(jī)S T C 1 2 C 2 0 5 2 A D電 源 電 路 圖 311 控制電路框圖 控制電路主要通過 STC12C2052AD 控制 SG3525 來實(shí)現(xiàn)輸出 PWM。如圖310 所示 ， 當(dāng) SG3525 的 10 腳接低電平時(shí)， SG3525 正常輸出；當(dāng) 10 腳接高電平時(shí)， SG3525 的輸出端禁止。通過 控制 SG3525 的 10 腳來控制輸出 PWM，這樣就能控制 IGBT 關(guān)斷以達(dá)到控制超聲波振蕩器除垢目地。由于 SG3525 本身可以輸出一定頻率的 PWM 波，通過調(diào)整電位器 ADJ3 就可以調(diào)整輸出 PW